Лекция 8. Образование тепла в проводнике. Максимальные допустимые значения

Содержание лекции:

- Рассмотрение характеристик, влияющих на допустимую нагрузку проводника по току. Модификация способов укладки кабелей.

Цель лекции:

- ознакомление с теорией образования тепла в проводнике и влияния тепла на него

При прохождении электрического тока проводом возникает тепло. Если бы, таким образом, возникшее тепло не отводилось в окружающую среду, то провод нагревался бы до тех пор, пока не расплавился бы. Только после этого было бы прервано прохождение тока. При прохождении любого тока меньше того, который вызывает расплавление проводника, наконец, температура установится на определенном значении. Однако чем выше температура проводника, тем больше тепла проводник передает в свою окружающую среду (см. рисунок 1). Тепло, образуемое прохождением тока в проводнике, пропорционально сопротивлению проводника и увеличивается с квадратом тока.

Рисунок 1 - Строение проводника

Кроме того, необходимо помнить о том, что с повышением температуры увеличивается сопротивление проводников, и это вызывает еще большую тепловую мощность, чем соответствовала бы квадрату (точно 2,495).

Установившаяся температура проводника – максимальные допустимые значения температуры: рабочая и при перегрузке.

При достижении установившейся температуры достигается равновесие между теплом, выделяющимся в проводнике в результате прохождения тока, и теплом, передаваемым этим проводником в окружающую среду. Чем больше теплу препятствуют в том, чтобы оно передавалось в окружающую среду (изоляция, способ укладки, ...), тем меньше тока достаточно для его нагревания до установившейся температуры. Самая высокая допустимая температура токоведущей жилы, следовательно, определена изоляцией, которой проводник обвернут. Немного выше температура токоведущей жилы проводника допустима при перегрузке и при коротком замыкании, потому что у этих сверхтоков предполагается, что в достаточно короткий отрезок времени они будут прерваны защитным элементом. Указанные максимальные допустимые значения температуры при нормальной работе и при перегрузке отличаются для различных видов изоляции. Дело в том, что различные изоляционные материалы выдерживают температуры различной величины. Для стандартной изоляции и ПВХ максимальная допустимая температура при нормальной работе равна 70 °C, при перегрузке - 120 °C и при коротком замыкании - 160 °C. Для обнаженных алюминиевых и медных проводников (Al, Cu) имеются следующие температуры: 80°C, 180°C, 300°C.

Определяющим для величины допустимых токов является с одной стороны максимальная температура проводника, с другой - температураокружающей среды, в которую тепло передается.

Решающей является разница между максимальным допустимым значением температуры проводника (пускай рабочая или при перегрузке) и температуры окружающей среды. Поэтому при более низких температурах окружающей среды проводки могут нагружаться больше, чем при его основной температуре, и наоборот, меньше при более высоких температурах окружающей среды.

Следующую важную характеристику, влияющую на допустимую нагрузку проводника по току, рассмотрим на примере. Номинальный ток одножильного проводника CY сечением в 0,35 мм² равен 10,5 A. Мы ожидали бы, что номинальный ток того же проводника CY сечением в 35 мм², значит в сто раз больше, будет также в сто раз больше, значит приблизительно 1000 A. Однако это вовсе не так.

Номинальный ток проводника CY сечением в 35 мм² равен только 181 A. Почему так мало? Нагрузка может увеличиться настолько, насколько увеличится отвод тепла из проводника в окружающую среду. Отвод тепла в окружающую среду, однако, не увеличился пропорционально сечению, а пропорционально поверхности проводника. Если исходить из сечения токоведущих жил, то поверхность не увеличилась в 100 раз (как сечение), а только в 10 раз. Отсюда должен быть допустимый ток 105 A. То, что действительный номинальный ток больше, вытекает еще из других факторов, которые мы не учитывали при приблизительной оценке (толщина изоляции и т. п.). На этом примере мы показали, что чем лучше отвод тепла в окружающую среду проводника, тем больше можно нагрузить проводник. Поэтому в принципе проводники небольших сечений можно нагружать на единицу сечения больше, чем проводники больших сечений. Аналогичным способом также снижается нагрузочная способность проводов в пучке (в многожильных проводах). Упрощенно говоря, нагрузочная способность не увеличится пропорционально количеству проводов в пучке, а пропорционально корню этого количества.

При проектировании постоянно необходимо помнить о том, что токовые нагрузки проводки нельзя, в общем, сравнивать с номинальной токовой нагрузкой - номинальным током. Это по той причине, что номинальную нагрузочную способность проводника или кабеля по току производитель приводит для номинальных условий, которые означают:

для укладки в воздухе (основная укладка) - номинальную температуру воздуха (30 °C) и укладку в горизонтальной позиции при спокойном воздухе;

для укладки в земле - номинальную температуру земли (20 °C) и установленное тепловое сопротивление окружающей почвы.

Номинальные условия, однако, на практике выполняются только в исключительных случаях.

Действительные условия, как правило, от номинальных условий отличаются. Проводники и кабели кроме основной укладки могут быть (и, как правило, они есть) предназначены для различных других способов укладки, и необходимо выполнить перерасчет на действительное состояние.

Согласно IEC 60 634-5-523 различают следующие основные способы укладки приведенные в таблице 1.

Таблица 1- Основные способы укладки проводников и кабелей

Тип	Способы укладки
А	Изолированные провода или многожильные кабели в трубе в теплоизолирующей стене или многожильные кабели прямо в изолирующей стене
B	Изолированные провода или многожильные кабели в трубе на деревянной стене или на стене
C	Кабель, проложенный на деревянной стене или на стене
D	Кабель, проложенный прямо в земле, или кабель, проложенный в трубе в земле
E	Двух- или трехжильные кабели в воздухе
F	Одножильные кабели, плотно сгруппированные в воздухе
G	Одножильные кабели в воздухе на расстоянии друг от друга хотя бы на диаметр кабеля

Стандарт различает еще модификации этих способов укладки кабелей. Укладки A1 от A2 и B1 от B2 отличаются друг от друга тем, что в случае A1 и B1 речь идет о изолированных проводах или одножильных кабелях в трубе, а в случае A2 и B2 речь идет о многожильных кабелях в трубе. Ранее используемые укладки H, J, K, L и т. д., различающие укладку в лотках перфорированных или неперфорированных, об укладке на кронштейнах, лестницах, решетках, сейчас включены под укладками E, F или G.

Кроме этого, температура окружающей среды не всегда находится в соответствии с расчетными значениями согласно стандарту. Температуры 30 °C для температуры окружающего воздуха и 20 °C для температуры окружающей почвы для большинства случаев достаточны. Как правило, дело в том, что температура окружающего воздуха находится ниже этих значений. Если температура окружающего воздуха не превышает, например, 25°C и если мы предусматривали температуру 30°C, то у нас получается определенный резерв в нагрузке проводки. В то же время не предполагается, что кто-либо нагружал бы проводку с учетом изменения температуры окружающего воздуха (например, день - ночь или лето - зима). Расчеты выполняются с максимальной температурой окружающей среды.

Далее при нагрузке проводки роль играет группирование проводов и кабелей. Большее количество проводов в пучке снижает допустимую нагрузку. Кабели могут группироваться различным способом.

Таким образом, вместе с возможностями укладки возникает большое число вариантов.

Из величины расчетного тока I_B и впоследствии из величины номинального тока защитного компонента In вытекает так же и допустимая нагрузка проводки по току Iz. Должно быть выполнено условие:

, (1)

где In - номинальный ток защитного компонента, A;

Iz - допустимая токовая нагрузка проводки, A.

Указанное условие исходит из требования, что ни при непривычной работе оборудования, ни при его перегрузке не должна наступать перегрузка проводки, в противном случае проводка должна быть отключена от питания. Поэтому допустимая нагрузка проводки по току должна быть больше номинального тока защитного компонента. В то же время требуется, чтобы защитный прибор пока не отключал сверхтоки, которые во время работы могут кратковременно появляться. Из этого вытекает и сопоставление характеристик проводки (максимальной допустимой нагрузки), защиты и оборудования (нагрузка, необходимая для функции оборудования), как показано на рисунке 2.

Рисунок 2 - Характеристики проводки

Здесь возникает идея, аналогично тому, как это было у выбора защиты для расчетного тока - присвоить номинальному току защиты одинаковое или большее значение номинального тока проводов или кабелей.

Для больших токов окупится прокладывать параллельно два или больше кабелей, чем один с огромным сечением.